畢業(yè)論文：基于DSP的履帶機器人避障系統(tǒng)研究（終稿）

I Ⅲ 第一章引言 11.1研究的目的和意義 11.2履帶機器人避障系統(tǒng)研究的現狀及發(fā)展趨勢 11.2.1國內履帶外機器人避障系統(tǒng)的研究現狀 11.2.2國內外履帶機器人避障路徑規(guī)劃研究現狀 71.3履帶機器人研究存在的問題 1.4論文各部分內容 第二章基于DSP的履帶機器人避障系統(tǒng)硬件原理 2.1系統(tǒng)硬件總體設計方案 2.2履帶機器人DSP控制器選擇與介紹 2.2.1TMS320F2812芯片介紹 2.2.2系統(tǒng)外部擴展存儲器 2.3傳感器的選擇與介紹 2.3.1聲納傳感器 2.3.2航向角傳感器 2.3.3速度傳感器 2.4電機的選擇與功率驅動主回路設計 2.5硬件系統(tǒng)抗干擾技術 2.6本章小結 第三章履帶機器人避障方法設計 3.1履帶機器人避障控制的總體框圖 3.2履帶式移動機器人的運動學模型 3.3履帶式移動機器人的環(huán)境建模 3.4覆蓋式路徑規(guī)劃的數學描述 3.5覆蓋式路徑規(guī)劃的方法設計 3.6軌跡控制算法的設計 3.7本章小結 Ⅱ第四章基于DSP的履帶機器人避障控制算法的仿真 4.1控制算法 4.2避障控制算法的MATLAB仿真 4.3本章小結 第五章基于DSP的履帶機器人避障系統(tǒng)的軟件設計 5.1DSP開發(fā)環(huán)境介紹 5.2避障控制系統(tǒng)程序 5.2.1主程序模塊 5.2.2避障模塊 5.2.3PID模塊 5.2.4A/D轉換模塊 5.3本章小結 第六章結論與展望 6.1結論 6.2研究展望 致謝 Ⅲ本文設計了基于DSP的履帶式機器人避障系統(tǒng)系統(tǒng)。首先對履帶機器人的國內外研究和使用現狀進行了較為全面和詳實的介紹，從而尋求出該課題的研究方向；同時介紹了機器人的各種避障控制算法。其次，介紹了履帶機器人避障系統(tǒng)的總體結構方案設計。為實現整個系統(tǒng)的行走及避障功能要求，對系統(tǒng)控制芯片和車輪驅動電機的類型等進行了選擇。確定了以TMS320F2812DSP為核心控制器，直流電機為主要運動機構的機器人核心部分；同時，設計了機器人的主要硬件構造。本文隨后根據控制要求分析了系統(tǒng)所需的硬件結構。搭建了一個基于DSP的機器人控制平臺，概括了硬件電路設計中所必須考慮的抗干擾措施。之后闡述了控制系統(tǒng)的軟件設計方法。以車輪電機控制采用增量式PID控制算法為重點，介紹了軟件控制的總體策略與控制結構，并對仿真結果進行了比較；然后分塊介紹各個模塊程序與必要的寄存器的設置。最后，總結了作者的研究成果，并闡述需要進一步深入研究的工作。關鍵詞：履帶機器人，避障系統(tǒng)，自主導航，DSP系統(tǒng)，運動學模型。摘要基于DSP的履帶機器人避障系統(tǒng)研究摘要Thisarticledesignedthesystemwhichhasevbonds.seeksthistopictheresearchdirection.Simultrequestthesystemneeds.HasbuiltonebasedontheDSProbotcconsider.AfterwardelaboratdifferentialmotionactuationtypecaterpillarbandrobotcontrolalgorithmtapiecemealintroducedthateachmoduleprocedureandtheessentialKeywords:CaterpillaKinematicsmodel.第一章引言基于第一章引言1第一章引言減輕了人們的體力勞動；與此同時，電子計算機的發(fā)明與推廣應用也在很大程度上代替了人們所進行的腦力勞動；而機器人作為二者結合的產物則可以完成許多人類Rosen等人，在1966年至1972年中研造出了取名Shakey的自主移動機器人。目的是研究應用人工智能技術，在復雜環(huán)境下機器人系統(tǒng)的自主推理、規(guī)劃和控制。與此同時，最早的操作式步行機器人也研制成功，從而開始了機器人步行機構方面的研究，以解決機器人在不平整地域內的運動問題，設計并研制出了多足步行機器人。的應用和傳感技術的發(fā)展，移動機器人研究又出現了新的高潮。特別是在80年代中器人平臺，這些移動機器人主要作為大學實驗室及研究機構的移動機器人實驗平臺，從而促進了移動機器人學多種研究方向的出現。90年代以來，以研制高水平的環(huán)境信息傳感器和信息處理技術，高適應性的移動機器人控制技術，真實環(huán)境下的規(guī)劃技術為標志，開展了移動機器人更高層次的研究。開發(fā)和研制建設機器人和傳統(tǒng)建設機械的機器人化，是工業(yè)機器人和特種機器發(fā)展，在全行業(yè)的共同努力下，我國在研制和開發(fā)建設機器人和機器人化的建設工隨著建設施工向高級化方向發(fā)展，高等級公化，但一般多停留在人工操縱、控制上，由于施工過程中，所處理的信息量越來越大，人工控制很難達到建設施工的具體要求。必須提高建設機械的性能和功能，逐1.2履帶機器人避障系統(tǒng)研究的現狀及發(fā)展趨勢第一章引言基于DSP第一章引言從1959年美國第一臺工業(yè)機器人到本世紀80年代初，機器人技術經歷了一個長期緩慢的發(fā)展過程。到了90年代，隨著計算機技術、微電子技術、網絡技術等快速發(fā)展，機器人技術也得到了飛速發(fā)展。制造價格不斷降低，而其質量與性能卻在迅速提高。開拓了機器人行業(yè)的新進展。機器人是人類創(chuàng)造的一種特殊機器，在生產和生活等方面，特別是在危險和極限環(huán)境作業(yè)中，有著廣泛的應用前景。機器人正發(fā)展成為一個龐大的家族，代替人們從事各種各樣的工作。(1)足球機器人避障系統(tǒng)障礙物的描述對路徑規(guī)劃算法以及尋找路徑的策略有很重要的意義機器人向目標點運動采用的策略是消除機器人在起始點的方向、位置與目標點之間的角度誤差和距離誤差，所走的軌跡一般為一條曲線，曲率的大小取決于機器人在起始點的方向和目標點的位置，機器人的方向與起始點到目標點的方向一致時，曲率最小，機器人的方向與起始點到目標點的方向垂直時，曲率最大(因為機器人可以正、反兩個方向運動)。為了縮小搜索空間，提高搜索速度，將曲率折衷，搜索范圍確定為：目標點為G避障機器人為R,R到G的距離為L,以L為長，以L/2為寬做一矩形，在矩形范圍內的任何機器人(R除外)都視為是障礙，那么比賽場地中就存在一個障礙物的有限集合(由對方機器人以及我方的除避障機器人以外的機器人組成，用O表示),O={OR?OR?…OR?}其中q為搜索范圍內的障礙物個數。采用檢驗交點數法判斷比賽場上的其它機器人是否為障礙物(避障機器人除外)。其算法為[3]:設機器人的中心點為P,由點P向下引一條與Y軸平行的射線，計算此射線與多邊形ABCD的交點數。若交點數為偶數(包括0),則P點在多邊形之外；若交點數為奇數，則點P在多邊形之內。還有一些特殊情況要加以處理.如P向下作射線時，如與多邊形的一邊相交于其端點，可以用“左閉右開”法，即當一條線段兩個端點的X坐標值小于或等于P射線端點的x,坐標值時，就不作射線與該線段的求交點運算.線段DC即屬于這種情況，此時端點C雖然與射線相交，但不計人交點。反之，在線段兩端點的X坐標值中，只要有一個小于射線的xp坐標值時，就進行求交點運算，DA,AB,BC線段線段重合時，線段DC屬于t坐標值小于或等于x,的情況，因此也不做求交點運算。用此方法檢驗所有的機器人(避障機器人除外),如果機器人的中心點在ABCD內就認為它是障礙物。這樣就確定了執(zhí)行動作的機器人在其運動區(qū)域內是否有障礙物、有幾(2)蛇形機器人避障系統(tǒng)20世紀90年代初期，日本Hirose教授通過對自然界中蛇運動的長期分析和研究，提出蛇運動是肌肉以諧波振動的方式收縮與松弛的假設，用曲率顯正弦變化的曲線來模擬蛇的運動曲線，于1993年制造出第一個蛇形機器人[5],其運動曲線方程為：3L—蛇形機器人機體長度a?—運動的初始彎角K,—傳播波的個數n—運動平面內的模塊數s—虛位移(蛇形機器人沿蛇形曲線軸線方向)根據蛇形機器人結構和運動特點，平面運動的蛇形機器人可以簡化為平面連桿蛇形機器人在XOY平面上運動，相鄰關節(jié)之間的相對轉角0;(s)為表征運動形狀的關節(jié)變量，可由公式(1.1)積分得：從公式(1.2)中可以看出改變K?的大小，就可以改變運動方向；改變s的大小，則可以改變運動的速度。芮執(zhí)元等人用蛇形機器人的左右擺動電機來改變K?的大小，即用模糊神經網絡來控制蛇形機器人的左右擺動電機，從而達到改變K?大小，躲避障礙物，到達目標2.國內履帶機器人避障系統(tǒng)的研究現狀我國的機器人起步較晚，與國外發(fā)達國家相比還有一定的距離。(1)可重構履帶機器人根據調研發(fā)現北京航空航天大學機械工程及自動化學院的王田苗，鄒丹，陳殿生三人在可重構履帶機器人方面有以下研究。可重構機器人是由模塊化單元組成。模塊化的含義是將復雜的系統(tǒng)轉變成多個簡單的模塊組成。優(yōu)點是有利于系統(tǒng)的設計和分析；同時模塊具有即插即用的性能，互換性比較強。他們所設計的機構是由4個具有獨立運動能力的基礎模塊，2個轉動關節(jié)模塊及3個連桿模塊組成。機器人的行走機構采用履帶式結構，因此具有地形適應能力強，平穩(wěn)性好等優(yōu)點，有利于機器人完成復雜地形環(huán)境下的偵察任務[8]。(a)電氣連接結構設計基于DSP的履帶機器人避障系統(tǒng)研究第二章系統(tǒng)硬件原理4電氣連接部分的模塊化設計為機器人機構的可重構提供了保證。兩個基礎運動單元模塊間的電氣連接采用即插即用的結構，分別用航空頭連接運動模塊的兩端，間的控制信息傳輸；機的信號線，用于主控系統(tǒng)與轉動關節(jié)模塊之間的信息傳輸；(b)控制系統(tǒng)組成此系統(tǒng)采用分布式控制體系，由主控制系統(tǒng)、電機控制系統(tǒng)、傳感器控制系統(tǒng)和云臺控制系統(tǒng)組成。當各子控制系統(tǒng)接收到從主控制系統(tǒng)傳送來的控制指令后，就獨立地完成對模塊的控制，同時各子控制系統(tǒng)將機器人本體的信息和傳感器監(jiān)測有處理速度快、功耗低、價格低廉等優(yōu)點，系統(tǒng)支持多任務管理和任務間的同步與通信，能夠對多傳感器信息進行實時處理，實現自主控制算法，滿足偵察作業(yè)的需要。對于電機驅動控制采用ATMEGA128單片機系統(tǒng)實現，采用LM629實現對電機的驅動，實現對直流電機的轉速控制和位置控制。傳感器的控制和云臺的控制分別采用AVR的單片機系統(tǒng)，實現對傳感器數據的接收、傳送以及對云臺的姿態(tài)控制。和主控制系統(tǒng)之間通過串行總線RS-485連接。控制系統(tǒng)的這種模塊化的設計使得各嵌入式主控制系統(tǒng)嵌入式主控制系統(tǒng)485總線電機控制系統(tǒng)傳感器控制系統(tǒng)云臺控制系統(tǒng)電機1電機4傳感器1傳感器4云臺1云臺4無線通訊(2)深海履帶機器車5由于深海底履帶機器車的工作環(huán)境和自身特性與普通履帶車輛有很大不同，主要表現為履帶車的低速性(0.5—1m/s)、海泥的高含水性和低的剪切強度、以及深海底的作業(yè)環(huán)境，深海底履帶車的建模簡化條件與普通履帶車相比，也應該有所不同。與普通履帶車相比，建模條件有以下特點：①考慮水阻力：通常地面行走的低速履帶車空氣阻力可忽略不計，集礦機在1000m深的海底行走，海水的密度比空氣大得多，必須考慮海水阻力；②忽略離心力：由于集礦機的運行速度很低(0.5—lm/s),轉向時離心力對其作用③考慮推土阻力：1000m深海底為極軟的飽和土壤，與地面行駛的履帶車不同，集礦機具有較深的壓陷深度(15cm)。在如此深的壓陷情況下，推土阻力成為集礦機的主要運動阻力之一；④考慮履刺的剪切力：為了增加集礦機在1000m深稀軟底上的附著力，與普通履帶車輛不同，集礦機履帶上設計了高130mm、齒距為200mm的尖三角齒。在建模時，履齒與地面的剪切作用必須加以考慮。基于以上考慮，參考陸地履帶車輛的動力學原理，我們進行了集礦機工作狀態(tài)下的受力分析，并最終建立了深海底集礦機的動(a)法向力為了計算法向力，假定履帶的兩個部分均為剛性水平連接，從而具有均勻的地面壓力分布。對應地，地面壓力P?(h=s,i)與壓強P?之間的關系可表述為：P?=2blpe?公式(1.3)深海底履帶機器車表現為相對寬的履帶中間距和較多的小半徑值支重輪。當主動輪和從動輪沉陷之差與履帶長度相比較小時，履帶板的厚度可忽略不計，壓強P可由經驗關系表述為主動輪和從動輪最低點沉陷△Zn的函數。德國特丟夫勒根據實驗得到海泥的載荷和壓陷的半經驗公式為‘10:公式(1.5)(b)牽引力由于深海底的特殊環(huán)境，該履帶車具有高130mm、齒距d為200mm的窄尖三角齒；同時，設計的土壤剪切深度深達180mm。因此，總牽引力由履帶剪切土壤產生的牽6引力F,和窄尖三角齒剪切土壤產生的牽引力凡之和構成。履帶牽引力的幅值F,由地面剪切應力提供，假定沿車體行進方向剪切壓力為均勻分布，則可表述為剪切壓力沿接觸面積的積分：公式(1.6)而剪切壓力又能表述為剪切位移和法向壓力的函數.對大多數的擾動土壤，有以下關公式(1.7)式中，p為法向壓力，c為土壤的內聚力，φ為土壤的內摩擦角，K為土壤的水平剪切模量，表征土壤達到最大剪切應力時的變形值。由塑性平衡理論，可計算單個履刺的牽引力：公式(1.8)式中，b?為履刺的寬度，實際等于履帶的寬度b,γs為土壤比重，ho為履刺高履刺產生的牽引力可表述為：公式(1.9)式中n=1/d,為與地面接觸的履刺的個數。(c)運動阻力履帶車的運動阻力可以分成內力和外力兩個部分內阻力主要分布在履帶一懸掛系統(tǒng)，由履帶板間、驅動輪齒和履帶、支重輪軸的摩擦損失以及支重輪和履帶之間的轉動阻力構成。內力的表現形式復雜而多變，不可能給出精確的分析和預測，常常用經驗公式給出內阻力和速度之間的線形近似關系，同樣本文也是將內力近似為作用在主動輪軸上的線性粘性轉矩。外阻力主要產生于車輛一地面的相互作用，主要表現為海泥的壓實阻力和海泥的推土阻力，以及深海環(huán)境中的海水阻力。對地面的擠壓作用，對車體的運動性能有較大的影響。假定法向載荷沿履帶長度均勻分布，則履帶的沉陷量可由壓力一沉陷量方程預測。(3)履帶式推土機由于履帶機器人與履帶式推土機的工作原理有相似之處，所以下面對履帶式推土機進行調研。7(a)驅動控制的實現條件推土機的最大牽引力一方面取決于發(fā)動機的輸出轉矩(另一方面受地面附著條件推土機作業(yè)時，其主要的受限形式是履帶的打滑。推土機工作時必須滿足驅動條件和附著條件：式中：F?一牽引力F—坡度阻力F—作業(yè)阻力F—推土機驅動力Y—地面對履帶的支反力φ—地面附著系數(b)牽引力、附著系數與滑轉率的關系不同地面條件產生的附著系數是有差異的，在不同地面條件下的履帶牽引力與其滑轉率的關系如下。在附著系數一定，履帶滑轉率S=0時，推土機的牽引力與推土機重量的比值F。/G最大；滑轉率從0開始增加時，附著系數φ隨之增加；當履帶滑轉率S=0.1～0.2時，附著系數達到最大；如果滑轉率繼續(xù)增加，附著系數開始下降。當履帶滑轉率S達到100%時，履帶發(fā)生完全滑轉!推土機不能工作，此時推土機牽引力的比值F/G下降很快。推土機作業(yè)負載阻力過大時，履帶發(fā)生滑轉，推土機的行駛速度由于履帶的滑轉而降低。履帶的瞬時速度V推土機機身瞬時速度V,及滑轉率S具有如下關系：公式(1.11)1.2.2國內外履帶機器人避障路徑規(guī)劃方法研究現狀履帶機器人屬于移動機器人的一種。路徑規(guī)劃問題是機器人學中很重要的一個方面。路徑規(guī)劃的研究對象可分為關節(jié)式機械手和移動式機器人。一般來說，前者具有更多的自由度，而后者的作業(yè)范圍則更大一些。就最簡單的形式，路徑規(guī)劃問題可以按如下定義：在有障礙物的工作環(huán)境中，如何尋找一條從給定起點到終點適當的運動路徑，使機器人在運動過程中能安全、無碰地繞過所有障礙物。移動機器基于DSP的履帶機器人避障系統(tǒng)研究第二章系統(tǒng)硬件原理8人路徑規(guī)劃主要解決三個問題：(1)使機器人能從初始點運動到目標點；(2)用一定的算法使機器人能繞開障礙物，并且經過某些必須經過的點；(3)在完成以上任務的前提下，盡量優(yōu)化機器人運行軌跡。根據工作環(huán)境路徑規(guī)劃可分為兩種：環(huán)境信息已知的靜態(tài)路徑規(guī)劃，又稱全局規(guī)劃；環(huán)境信息未知或部分未知的動態(tài)規(guī)劃，又稱局部規(guī)劃。后者更具有實際意義，因為現實環(huán)境中的障礙物很可能是運動規(guī)律未知的運動物體。動態(tài)環(huán)境中的路徑規(guī)劃比靜態(tài)環(huán)境下的規(guī)劃復雜得多。目前國內外路徑規(guī)劃的主要算法有：(1)人工勢場法[121人工勢場法是由Khatib提出的一種虛擬力法，其基本思想是將機器人在環(huán)境中的運動視為一種虛擬的人工受力場中的運動。障礙物被排斥勢場包圍，對機器人產生斥力，排斥力隨機器人與障礙物的距離的減少而迅速增大；目標被引力勢場包圍，對機器人產生引力，吸引力隨機器人與目標的接近而減小。引力和斥力的合力作為機器人的合力，來控制機器人的運動方向，使機器人繞過障礙物朝目標前進。該法結構簡單，便于低層的實時控制，在實時避障和平滑的軌跡控制方面，得到了廣泛應用，其不足在于存在局部最優(yōu)解，容易產生死鎖現象，因而可能使移動機器人在到達目標點之前就停留在局部最優(yōu)點。為解決局部極小值問題，已經研究出一些改進算法，如Sato提出的Laplace勢場法113]。改進算法是通過數學上合理定義勢場方程，來保證勢場中不存在局部極值。(2)柵格法[14]柵格法將移動機器人工作環(huán)境分解成一系列具有二值信息的網格單元來記錄環(huán)境信息，有障礙物的地方累積值比較高，移動機器人就會采用優(yōu)化算法避開。柵格法表現出良好的性能，受到重視并有很好的發(fā)展前景，但該方法存在著環(huán)境分辨率與環(huán)境信息存儲量的矛盾。(3)自由空間法[15,16]這是一種經典的路徑規(guī)劃方法，它把機器人所在的環(huán)境空間分成兩部分，即自由空間和障礙物空間。機器人在自由空間中找到一條按某種性能指標規(guī)劃出來的安全路徑。其優(yōu)點是比較靈活，起始點和目標點的改變不會造成連通圖的重構，缺點是復雜程度與障礙物的多少成正比，且有時無法獲得最短路徑。(4)模糊邏輯算法[17~191模糊邏輯的基本原理：模糊控制是智能控制的一個十分活躍的研究與應用領域，也理所當然成為機器人路徑規(guī)劃的一種重要方法。扎德于1965年提出的模糊集合成為處理現實世界各類物體的方法。此后，對模糊集合和模糊控制的理論研究和實際應用廣泛開展起來。模糊控制是一類應用模糊集合理論的控制方法。模糊控制的價值可從兩個方面來考慮。一方面，模糊控制提出了一種新的機制用于實現基于知識規(guī)則的控制規(guī)律。另一方面，模糊控制為非線性控制器提出了一個比較容易的設計方法，尤其是受控對象或過程含有不確定性而且很難用常規(guī)非線性控制理論處理時，更是有效。由于模糊邏輯控制控制具有符合人類思基于DSP的履帶機器人避障系統(tǒng)研究第二章系統(tǒng)硬件原理9維的習慣，不需要建立精確的數學模型，易于將專家知識直接轉換為控制信號等優(yōu)點，已成為移動機器人路徑規(guī)劃的一種重要方法。在用模糊控制的方法規(guī)劃機器人路徑時，往往要對機器人自身帶的傳感器獲取的信息進行模糊化處理。比如，參考人的駕駛經驗，模糊控制器先對聲納的距離信息進行模糊化處理，然后歸納出一組規(guī)則，通過模糊集理論把這些規(guī)則變?yōu)橛行У囊?guī)劃角度和平移距離。該算法的優(yōu)點是算法直觀，容易實現，能方便人的經驗融合到算法當中，計算量不大，能滿足實時性的要求。和其它應用一樣，利用模糊邏輯解決局部路徑規(guī)劃問題，需要根據問見到所有可能的情況，另外對于多輸入、多輸出的模糊系統(tǒng)要窮盡其所有規(guī)則也是一個復雜、困難的過程。因此，讓機器人自行學會模糊規(guī)則是極為必要和有實際意義的。進化計算是一類模擬生物界進化規(guī)律機制來求解問題的自組織、自適用人工智能技術，其中以遺傳算法運用最為廣泛。由于其直接以編碼作為運算對象，對目標函數無特殊要求，具有全局收斂性、隱含的并行性和魯棒性等特點，對于傳統(tǒng)搜規(guī)則的設計，以及模糊控制器隸屬度函數和參數的優(yōu)化等。模糊邏輯控制器的缺點構造，調整和修改規(guī)則知識庫比較難；需要花費大量的時間來調整和修改已構成的知識庫。如果輸入量與知識庫不匹配，就無所適從，不具備適用能力，也就是缺乏神經網絡的基本原理：人工神經網絡是由大量簡單的神經元相互連接而形成的自適用非線性動態(tài)系統(tǒng)。人工神經網絡的研究可以追溯到上經網絡的研究論文，它們奠定了神經網絡軟件描述、硬件實現的基礎。1986年修正各層之間的連接權值，可以求解感知機無法解決的問題，人工神經網絡控制由不同的環(huán)境很難用精確的數學模型表示出來，神經網絡具有任意逼近精確函數的能力。用神經網絡對環(huán)境信息進行分類和識別，然后建立機器人工作空間動態(tài)環(huán)境信息的神經網絡模型。并利用該模型建立機器人動態(tài)避障與神經網絡輸出的關系。神經網絡具有較強的學習和適用能力，但獲取具有代表性的訓練樣本不容易。(6)遺傳算法[22.23]一種借鑒生物界自然選擇和自然遺傳機制的隨機搜索算法，由于它具有簡單、健壯、隱含并行性和全局優(yōu)化等優(yōu)點，對于傳統(tǒng)搜索方法難以解決的復雜和非線性問題具有良好的適用性。應用遺傳算法解決自主移動機器人動態(tài)環(huán)境中路徑規(guī)劃問題，可以避免困難的理論推導，直接獲得問題的最優(yōu)解。但基于DSP的履帶機器人避障系統(tǒng)研究第二章系統(tǒng)硬件原理態(tài)不確定環(huán)境下基于滾動窗口的機器人路徑規(guī)劃算法，該法利用機器人實時測得的局部信息，以滾動方式進行在線規(guī)劃，實現了優(yōu)化與反饋的合理結合，具有良好的避碰能力。但容易產生死鎖，且動態(tài)環(huán)境下的障礙物運動規(guī)律必須已知。機械制造業(yè)在發(fā)達國家中基本上實現了機電信一體化。建設機械電信一體化、(1)由于建設施工作業(yè)中每一個具體操作的內容和要求都是不確定的，實現建設施工自動化，就要求設備具有人的感覺、認識和判斷能力，成為智能機械，具有采用智能化控制技術，目前智能化控制技術理論比較成熟，在一些高科技領域得到了應用，但由于建設施工設備工作環(huán)境的不確定性，其控制系統(tǒng)的復雜程度使這(2)建設機器人的研制和開發(fā)，要用到機、電、光、聲、化學以及生物等多學科的知識，須將多種技術組合后進行信息處理，如何把各種技術組織成一個成熟的對元器件的要求相當高。而且建設機器人的工作條件惡劣，環(huán)境溫度變化很大，陽光、雨雪、塵埃、潮濕等嚴酷的工作環(huán)境以及強烈的振動和沖擊對系統(tǒng)的元件影響本論文在第一章簡單的介紹了目前對于履帶機器人避障控制技術的研究現狀，針對國內外做了分開的研究。第二章將會介紹基于DSP的履帶機器人避障系統(tǒng)的硬件原理。第三章主要描述了履帶機器人避障的方法設計。對于履帶機器人的控制算法及仿真將會在第四章設計與介紹。第五章就是系統(tǒng)的軟件設計了，通過對主控制器編寫程序來控制履帶機器人的避障行為。對于第六章將描述這一課題的結論，并基于DSP的履帶機器人避障系統(tǒng)研究第二章系統(tǒng)硬件原理第二章基于DSP的履帶機器人避障系統(tǒng)硬件原理統(tǒng)、傳感系統(tǒng)等部分。由于本論文中的研究還處于初級因此，移動機器人只包括移動機構和控制系統(tǒng)兩大部分履帶和輪系組成。因移動系統(tǒng)的機構設計不在本文的研究范圍之內，故不再做進一步的介紹?？刂葡到y(tǒng)部分由步進電機、驅動器、控制器、仿真器及控制軟件系統(tǒng)等本設計的履帶輪控制系統(tǒng)采用DSP作為主控制器，由此可以構建機器人運動控轉速反饋磁通門羅盤功率驅動電路聲納傳感器轉速反饋電流檢測電流反饋功率驅動電路轉速檢測轉速檢測信號檢測電路信號檢測電路左輪電機右輪主電源圖2.1系統(tǒng)運動控制總體框圖(1)控制器控制器模塊設計主要是組成DSP最小系統(tǒng)，包括時鐘、復位電路、外部存儲器處理速度快且具有大量可編程的外設接口，能靈活實現與外界通信。基于DSP的履帶機器人避障系統(tǒng)研究第二章系統(tǒng)硬件原理從控制器接收車輪電機PWM驅動控制信號，并通過光電隔離，實現了對控制器的隔離保護，提高了電路的抗干擾性與可靠性。(3)功率驅動機器人的電機驅動模塊具有欠壓保護，過流保護和故障輸出功能。大大的簡化了電路的設計，增強了系統(tǒng)的可靠性。功率元件主要由與非門、電阻、晶體管、續(xù)流二極管組成，對從信號隔離模塊輸入的控制信號進行運算放大，轉換成電機的驅(4)檢測模塊該模塊主要采集反饋信號，由電流檢測和電機轉速檢測模塊組成。電流檢測的方法有電阻檢測、霍爾電流傳感器等各種不同的方法，本系統(tǒng)采用了霍爾電流傳感器檢測。將電流信號轉變成電壓信號再經過放大和濾波以后將反饋信號變化為壓3V的電壓信號送到DSP的A/D采樣單元。電機測速部分由一個霍爾開關和信號放大電路組成。霍爾開關采集轉速值，經整形、放大輸出，直接輸入到DSP的捕獲引腳，捕獲單元在捕獲引腳上出現跳變時使能觸發(fā)，通過計數定時器對負脈沖計數，得出履帶機器人DSP控制器的設計是機器人控制系統(tǒng)的核心部分，系統(tǒng)的結構框圖如圖所示。其硬件控制電路主要包括DSP控制芯片TMS320F2812,地址總線驅動芯片LVC16244,同時也可作為電平轉換芯片使用，數據總線總線驅動芯片UC5350,外部擴展存儲器IS6ILV6416,串口通信轉換芯片MAX232,地址總線驅動數據總線驅動外部擴展RAMCAN總線驅動電平轉換單元基于DSP的履帶機器人避障系統(tǒng)研究第二章系統(tǒng)硬件原理本系統(tǒng)采用的TMS320F2812芯片是美國TI公司新型研制的面向電機控制、工業(yè)控制的一款帶片內Flash的32位定點DSP。該芯片將實時處理能力和控制器外設功能集于一體，為控制系統(tǒng)應用提供了一個理想的技術平臺。具有成本低，功耗小改進的并行結構，高性價比的優(yōu)點，在與現有的C240x系列DSP芯片代碼兼容的同時，還具有靈活的指令集，更快的運算速度，更高的外設集成度，更大的數據程序存儲量，更精確快速的A/D轉換等主要特點，成為信號處理及控制應用技術的理想(1)32位定點處理器，供電電壓3.3v,150MHZ的高主頻，系統(tǒng)周期為6.67ns的處理速度，運算速度可達15OMIPS,支持雙16x16乘加操作，因而可兼顧控制和(2)采用經典哈佛總線結構，利用多總線在存儲器、外圍模塊和CPU之間轉換數據，使之可以在一個周期內并行完成取指令、讀數據和寫數據，同時它采用了(3)內部存儲器包括128Kx16bit的內部Flash,18Kx16bit的內部SARAM;可外擴1Mx16位的程序和數據存儲器，存儲器統(tǒng)一編址，其尋址空間達4M;(4)中斷資源豐富，可支持45個外設級中斷和3個外部中斷，提取中斷向量和保存現場只需9個時鐘周期；(5)擁有雙事件管理器EVA和EVB,分別包括6路PWM/CMP、2路QEP、3路CA衛(wèi)、2路16位定時器。事件管理器適用于控制交流電機、直流電機、開關磁(6)擁有兩個SCI口和一個SPI口，增加了數據緩存功能，此外串行通訊模塊還包括增強的eCAN總線和1個增強型多通道緩存串口，能滿足多種通訊的需要；(7)16通道12位的ADC一個轉換單元，可實現雙通道同步采樣，最小轉換時間為80ns。TMS320F2812強大的功能使其能滿足嵌入式智能控制單元的設計要求，比起DSP芯片內部具有18K的SARAM和128K的Flash可以擦寫，但是不支持在線調試，調試過程中如果每次都使用專用的Flash燒寫插件將程序存入閃存，不僅操作麻煩，而且損壞了閃存的壽命，所以本最小系統(tǒng)板上外擴了兩片零等待周期的研K基于DSP的履帶機器人避障系統(tǒng)研究第二章系統(tǒng)硬件原理數據存儲器RAM,芯片型號為ISLV6416,提供總共128K的外部存儲器。在系統(tǒng)開發(fā)過程中，內部的存儲器往往要優(yōu)先使用，這樣可以能夠能好的提高系統(tǒng)的運行效等待周期。片外等待周期由片內等待產生寄存器確定。為了能夠獲得零等待的存儲期。外部存儲器接口譯碼通過XC95144XL來完成。圖2.2DSP外部擴展RAM原理圖ISLV6416是ISSI公司生產的64K*16位高速CMOSRAM。3.3V電壓供電，低機械波。由換能晶片在電壓激勵下發(fā)生震動產生，它具有頻率小，波長短，方向性好，能夠射線定向傳播。脈沖式聲納傳感器信號處理簡單，價格低，被廣泛用在機器人測距避障，定位導航等。通過測量由發(fā)射到接收所經過的時間以及超聲波在空氣中傳播的速度來測得機器人到障礙物的距離。測距原理如圖2.3所示。信號放大，過濾，設定闕值傳感器即是超聲波發(fā)射器，又是超聲波接受器，發(fā)射的超聲波頻率為50kHz。靜電換能器是一個圓形的薄片，在發(fā)射超聲波的時候，將電能轉換為超聲波能，接收超聲波的時候，將超聲波能轉換為電能。薄片的材料是塑料，其正面涂有一層金屬薄膜，背面有一塊鋁制后板，如圖2.4所示。薄片和后板構成了一個電容器，當給薄片加上頻率50kHz,電壓峰值為300V的方波電壓時，薄片以同樣的頻率震動，產生頻率為50kHz的超聲波。傳感器內有一個調諧電路，當接收回波時，只有頻率接近50kHz的信號才能接收，其他的頻率信號則被過濾，計時和距離計算需另外硬件聲納傳感器最主要的測距方法是渡越時間法TOF(timeofflight)。即聲波從發(fā)射到碰到前方障礙物之后被接收到所經歷的時間間隔。依據的原理是聲波與目標之間的距離與聲波在聲源與目標之間的傳播的時間成正比。這種方法對對象的材料性質依賴較小，并且不受電磁波、粉塵等干擾。障礙物與傳感器之間的距離可以通過下式中：D-機器人到障礙物的距離(m)t一聲波往返傳播時間(s)c一聲波在介質中傳播速率(m/s)c=(331+4.6n公式(2.2)T.為環(huán)境攝氏溫度，在測量精度不是要求很高的情況下，可以認為c為常數。2.3.2航向角傳感器測定集礦機航向角的是磁通門羅盤，是在磁通門場強計的原理上研制出來的。它與磁羅經羅盤、電位計羅盤相比，其主要特點是：靈敏度高、可靠性好、體積起動快、重量輕、結構簡單，適于測弱磁。磁通門羅盤測角系統(tǒng)主要由檢測頭和電路處理兩大部分組成。檢測頭置于地磁磁場中，其測量繞組中偶次諧波的大小和相位就分別反映了地磁磁場的方向，將此信號加以鑒別并通過計算機運算，就能檢測履帶機器人速度傳感器采用磁接近開關傳感器，它的結構如圖2.5所示。齒盤轉動，齒盤中的齒和間隙交替通過永久磁鐵的磁場，從而不斷改變磁路的磁阻，通過磁阻的改變而使磁通量發(fā)生變化，感應出一定幅度的脈沖電勢，該脈沖電勢的頻率齒數越多精度越高。脈沖信號檢測方法有兩種：檢測脈沖寬度和脈沖頻率。由于深海集礦機速度在0~1m/s的范圍內，較慢，因此，采用檢測脈沖寬度的方法。履帶機器人測速原理如下：把磁接近開關傳感器作為變送器，安裝在左右兩條履帶驅動輪軸上(如圖2.6,當驅動輪帶動履帶行走轉動時，固定在其上的導磁探測桿同步轉動，順次通過磁接近開關，發(fā)出開關量速度檢測信號。驅動輪轉動的快慢，決定了導磁探測桿經過磁接近開關的時間間隔。驅動輪每轉一圈，傳感器產生15個脈沖，每個脈沖走的距離一樣，都是十五之一周長。而每個脈沖時間不一樣，每個基于DSP的履帶機器人避障系統(tǒng)研究第二章系統(tǒng)硬件原理1.導磁探測桿2.履帶驅動輪3.磁接近開關4.支撐軸5.信號線圖2.6磁接近開關傳感器原理2.4電機的選擇與功率驅動主回路設計車輪電機功率驅動主回路主要由驅動模塊和檢測模塊等部分組成，由于機器人有左右兩組電機，可以設計利用DSP的兩個事務管理器模塊分別控制兩組電機。直流電機是感性負載，工作電壓一般在12V-40V,高DSP電壓，因此DSP與功率驅動電路間要有隔離電路。本系統(tǒng)采用光電禍合器來完成信號的隔離，以避免前機器人的車輪電機驅動模塊主要由電源、兩組功率驅動單元組成，分別用來控制左右兩組車輪電機。采用雙極性PWM驅動H橋結構電路。晶體管、續(xù)流二極管),采用H全橋結構。當PWMI和PWM4為低電平，PWMZ和機反轉。同理兩組功率驅動電路分別接收EVA和EVB傳送的PWM控制信號，驅動TMS320F2812含2個專門針對功率驅動保護的中斷TICTRIP/PDPINTA和T3CTRIP/PDPINTB,在本系統(tǒng)中作為電機故障保護信號輸入端。當系統(tǒng)出現IPM故基于DSP的履帶機器人避障系統(tǒng)研究第二章系統(tǒng)硬件原理處理，立即自動封鎖輸出的4路PWM脈沖及停止運行，防止電機進一步被燒壞。F2812內部事務管理器EVA、EVB分別有3個捕獲單元CAPx,用于記錄捕獲輸入引腳上的跳變。電機測速部分由一個霍爾開關和信號放大電路組成。與電機同軸的轉盤上裝有兩塊的強力磁鋼，它們的磁極性相反，以保持轉盤的平衡并保證轉盤每轉一周，霍爾開關只導通一次?；魻栭_關平時輸出為正電壓，當轉盤上的磁鋼與霍爾開關正對時，輸入磁感應強度，霍爾開關輸出負電壓，經整形、放大輸出，直接輸入到DSP的捕獲引腳，捕獲單元在捕獲引腳上出現跳變時使能觸發(fā)，通過計數定時器對負脈沖計數，得出電機轉速信號，從而計算出電機的轉速。對于EVA而言，由于CAPI～AP3用來檢測電機的轉速信號，因此計數時基可以由EVA定時器2產生；PWM1~PWM4用來輸出4路PWM脈沖給電機，因此可以由EVA定時器1提供時基。系統(tǒng)測速電路原理圖如圖2.7所示。其中，3144為霍爾開關，整形、放大由LM358完成。第一級358作為比較器使用，第二級作為電壓跟隨器，輸出為數字圖2.7系統(tǒng)測速電路原理圖TMS320F2812中的ADC轉換器是一個帶有16通道的12位擻數轉換器，可配置為兩個獨立的8通道模塊，方便為EVA和EVB服務。ADC以任務為單位進行轉存在16個結果寄存器(ADCRESULT0～ADCRESULT15)中，DSP可以單獨訪問結果寄存器。對于采用PWM調制波控制的電機系統(tǒng)，在采用電流信號中會含有脈動波器。在該系統(tǒng)中，采用一個旁路電阻對電機電流進行采樣，電流采樣電路原理圖如下圖所示。其中輸入端是來自采樣電阻的壓降信號。將檢測到的信號，經過阻容低通濾波、電壓跟隨器及放大環(huán)節(jié)(運算放大器選用UM358),反饋到ADC的輸入引基于DSP的履帶機器人避障系統(tǒng)研究第二章系統(tǒng)硬件原理腳ADCSOC,DSP內部的ADC轉換器將模擬信號轉換為數字信號，并在DSP內部進行處理。因為ADC接口只能接受壓3.3V電壓，所以在電路的電壓放大環(huán)節(jié)后面增加了正負限幅電路，主回路電流的檢測由霍爾元件完圖2.8系統(tǒng)電流采樣電流原理圖系統(tǒng)的可靠性是由多種因素決定的，其中系統(tǒng)的抗干擾性能是系統(tǒng)可靠性的重要指標。如果抗干擾性不好，將引起諸如測量數據精度不夠、所測數據值不穩(wěn)定、系統(tǒng)電壓偏移無法正常工作以及可能導致系統(tǒng)軟件無法運行等問題，甚至還會造成為了減小系統(tǒng)在特定的環(huán)境中受到的電磁干擾，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，應從以控制電源的穩(wěn)定性對控制電路的穩(wěn)定性至關重要。本研究課題的控制電路有多壓；+15V運放電路供電電源。任何電源及輸電線路都存在內阻，正是這些內阻才引(1)強電部分與弱電部分分開布置，自成系統(tǒng)，中間使用高速數字光禍隔離。(2)在系統(tǒng)的弱電部分將模擬地、數字地、電源地等分開，并使用較多的接地線以減小或者消除各個模塊間存在的地線電位差，最后才在一點將它們連接。避免(3)對于F2812,采用DC/DC模塊電源單獨供電，減小主電路對DSP的影響?；贒SP的履帶機器人避障系統(tǒng)研究第二章系統(tǒng)硬件原理(4)對模擬信號的采樣采用高速、精密線性光藕隔離。(5)電源部分并聯(lián)多只0.1μF電容，濾除從電源傳入的干擾，對同一芯片盡量(6)集成器件的電源輸入端就近使用禍合電容，防止電源層電平擾動。(7)電源線的布置除了要根據電流的大小，盡量加粗導體寬度外，采取使電源線、地線的走向與數據傳遞的方向一致，將有助于增強抗噪聲能力。在控制電路的印刷電路板(PCB)上模擬、數字、放大電路等不同電路之間存在相互的電磁干擾。同時，印制線的電感成分產生的噪聲電壓也不容忽視。通過PCB線路的合理設計可以有效地抑制電磁干擾，提高系統(tǒng)的可靠性。本文控制電路PCB盡可能將強弱電信號分開，將數、模信號電路分開，完成同一功能的電路應盡量按(2)各部分電路的濾波網絡必須就近連接，以減小輻射和被干擾的幾率，提高(3)使電源線、地線的走向和數據傳遞的方向一致；(4)所布信號線應盡可能短，并盡量減少過孔數目，同時，信號線應盡量靠近(5)各模塊之間最好能以地線進行隔離，防止相互之間的信號禍合效應；本章介紹了設計所用到的硬件部分的性能和特點。履帶式移動機器人的控制系統(tǒng)主要包括：控制芯片DSP,變壓器，電機和電機的驅動電源等控制部件。其中，控制芯片TMS320F2812,是一個高性能的DSP內核和其片內外圍設備集成的一個芯片，有著很好的控制精度，能很好地實現對機人路徑的實時控制。基于DSP的履帶機器人避障系統(tǒng)研究第三章避障方法設計第三章履帶機器人避障方法設計x,ye控制控象被對圖3.1硬件控制總體框圖首先履帶機器人在馬達的驅動下，左右履帶分別產生速度y,v,之后履帶機器人的位置(x,y)可由跟蹤定位系統(tǒng)測定，方向角θ可由磁通門羅盤測定。將測得的數據與預定路徑進行比較，得到當前履帶機器人與預定路徑的位置偏差e以及方向角偏差],再將得到的偏差數據用路徑跟蹤算法進行處理，即可得到當前期望的左右履帶的行駛速度，通過安裝在履帶中上部的速度傳感器可測得當前履帶的實際速度，將期望速度與實際速度進行比較，并將速度偏差轉換為相應的控制電機驅動信號，調整兩根履帶行駛速度，從而實現對履帶機器人行走軌跡的控制。由圖3.1可知，外層是根據給定目標點的位置和障礙物情況，在宏觀上對履帶機器人的行走路徑進行合理規(guī)劃。同時不斷接收定位系統(tǒng)測量的履帶機器人的實際位置，對履帶機器人行走方向和速度進行調整。故外層屬于履帶機器人導航部分。外層輸出履帶機器人的行走速度和方位角給中間層，中間層輸出集礦機左右履帶的速度給履帶機器人為履帶車輛，其運動學模型可按履帶車輛的運動學模型表述?？紤]履帶機器人在水平面轉向時的運動模型，該模型是二維模型。當不考慮履帶的滑移時，假設履帶機器人向右轉，則外側履帶的速度v,和內側履帶的速度v?分別是：公式(3.2)o?一內側(轉彎側)主動輪的角速度(m/s)o?一外側主動輪的角速度(m/s)履帶機器人速度與內外履帶速度的關系為：履帶機器人轉向的角速度與內外履帶速度的關系為：由式(3.5)和式(3.6)可得：V?=v-y’將車體速度分解，并分別求積分，可得履帶機器人質心的位置是：式(3.1)~(3.11)稱為履帶機器人的運動學模型。公式(3.3)公式(3.4)公式(3.10)3.3履帶機器人的環(huán)境建模在履帶機器人距離地面0.28m的同一水平150°圓弧上安裝了7個聲納傳感器，每個傳感器波束角為30°,有效測量范圍為0.15~10.70m,每兩個傳感器間隔角為23°,用以覆蓋履帶機器人機器人周圍約180°的空間。假定安裝在履帶機器人上的某一傳感器的探測值為r,根據超聲波傳感器的聲場特性和測距原理，障礙物上距離傳感器最近的一點發(fā)生超聲波反射，此點應該處在一段圓弧上，此圓弧半徑為r,角度為波束角。由于超聲波的方向分辨率低，無法確定此點在此段弧的具體哪一點。事實上，從導航和避障的角度來看，并不需要知道障礙物的精確位置，只要知道障礙物在環(huán)境中的大概分布情況就可以實現機器人導航和避障。因此采用概率方法D-S理論描述障礙物分布。為了簡化計算，用弧對應的弦近似代替弧。設在超聲波返回的距離處，傳感器波束角對應的弧長范圍內存在障礙的概率呈均勻分布，且概率總和為1,障礙物(full)、不存在障礙物(empty)或不確定，如圖3.2所示。傳感器P(i,j)=而對于傳感器波束角內的其它柵格，顯然不存在障礙物，則P(i,j≠P(i,j≠表存在障礙物，{E,F}代表狀態(tài)不確定.則⊙的冪集T=2°={φ,E,F,{E,F}}。設m為識別框架T上的基本可信度分配，VACI,m(A)稱為A的基本可信數。對于各m,(E)和m,(F)在機器人第k個傳感器的測量范圍內的賦值如下：基于DSP的履帶機器人避障系統(tǒng)研究第三章避障方法設計這樣，機器人每走一步，其多個傳感器獲取一組傳感范圍內的環(huán)境信息數據，即得到一組柵格的基本可信度分配，將此信度與在此之前累計的同一柵格的基本可信度值采用D-S合成規(guī)則的證據推理方法進行融合，就可以得到傳感范圍內更新后公式(3.18)公式(3.20)公式(3.21)若有公式(3.22)3.4覆蓋式路徑規(guī)劃的數學描述基于DSP的履帶機器人避障系統(tǒng)研究第三章避障方法設計描述機器人覆蓋運動性能好壞的性能指標稱為性能評價函數，我們用泛函定義3:設機器人覆蓋區(qū)域為S(4)可行覆蓋軌跡叢L={p(x,y,x,,y,x?,yo)|i=1,2,…(5)J(□,ly,,0)+?W(x,y,3.5覆蓋式路徑規(guī)劃方法設計部規(guī)劃，避開障礙物，然后回到原來規(guī)劃路徑上來，規(guī)劃路徑如圖3.3(b)所示以運動平臺左下角為原點建立規(guī)劃路徑坐標系如圖3.4所示。直線軌跡的方程為B一為履帶機器人寬度(m)C-為平臺長度(m)D-為平臺寬度(m)由式履帶機器人運動學模型(3.9)~(3.11)可計算出履帶機器人任意時刻的位置和方向角，此位置和方向角與規(guī)劃出的軌跡上的位置和方向角相比較，然后進行校正，從而使履帶機器人按規(guī)劃路徑行走。當路徑上出現無法逾越的障礙物時，用增量式PID算法進行局部路徑規(guī)劃，避開障礙物，計算履帶機器人此時的位置和方向角以及位置誤差和航向誤差，再根據位置誤差和航向誤差，使履帶機器人回到原來3.6軌跡控制算法的設計按照跟蹤偏差最小原則，當與預定路徑之問的偏差為e時，履帶機器人逼近預定路線。設履帶機器人的切向速度為一恒定值V,則最小轉彎半徑R。由履帶機器人的最大角速度o決定。顯然此外，理想路線上各點的方向角θ’則是偏差e的函數，容易推得可以想到，當履帶機器人與預定路徑偏差為e時，我們只需控制履帶機器人行駛方向角逼近理想路線對應點的方向角，履帶機器人相應也將會以一條較為合理的路線逼近預定路徑按照這一思想，假設履帶機器人當前實際方向角為θ,而對應的理想路線的方向角為θ',則可以得到當前期望的履帶機器人角速度o,為實際上，控制履帶機器人的角速度是通過控制左右履帶的速度來實現的。由于履帶機器人結構基本是左右對稱的，所以其質心剛好在其中軸線上。依據剛體平面運動學原理，可以得到左右履帶速度V,V?與履帶機器人在質心處的切向速度V和角速度0的關系其中L為履帶機器人的寬度，可以得到相應的左右履帶的期望速度分別為：綜合公式(3.27)～(3.30),即構成了一套完整的預定路徑跟蹤算法。本章詳細介紹了一種履帶機器人的避障方法設計。首先建立了履帶機器人的運動學模型，并對其進行了詳細講解，然后介紹了覆蓋式路徑規(guī)劃的原理和方法，最后寫出了軌跡控制算法。這樣使得履帶機器人沿著預定路徑運動，當檢測到障礙物時調整路徑避開障礙物。第四章基于DSP的履帶機器人避障控制算法的仿真當控制系統(tǒng)的總體方案選定之后，采用什么樣的控制算法才能使系統(tǒng)達到要求，這是非常關鍵的問題。計算機控制的主要任務就是設計一個數字調節(jié)器，常用控制由于被控對象是復雜的，因此并非所有的系統(tǒng)均可求出數學模型，有些即使可以求出來，但由于被控對象環(huán)境的影響，許多參數經常變化，因此很難進行直接數字控制。此時最好選用數字化PID控制。在PID控制算法中，以位置型和增量型兩種PID為基礎，根據系統(tǒng)的要求，可對PID控制進行必要的改進。通過各種組合，可以得到更圓滿的控制系統(tǒng)，以滿足各種不同控制系統(tǒng)的要求。用最為廣泛的一種控制規(guī)律。PID的實質就是根據輸入的偏差值，按比例、積分、微分的函數關系進行運算，其運算結果用以輸出控制。在工業(yè)系統(tǒng)中常采用如圖4.1所示的PID控制對象被控1.PID算法的數字化e(t)調節(jié)器的偏差信號，它等于測量值和給定值之差；Kp調節(jié)器的比例系數；由于計算機控制是一種采樣控制，它只能根據采樣時刻的偏差值來計算控制量。因此，在計算機控制系統(tǒng)中，必須首先對式(4.1)進行離散化處理，用數字形式的差分方程代替連續(xù)系統(tǒng)的微分方程。(1)數字PID位置型控制算法為了便于計算機實現，必須把式(4.1)變換為差分方程，作近似后可得數字PID位置型控制算式為：公式(4.2)式(4.2)表示的控制算法提供了執(zhí)行機構的位置u(k),如閥門的開度，所以被稱為數字PID位置型控制算式。(2)數字PID增量型控制算法占較多的存儲單元，而且不便于編寫程序，為此可對式(4.2)進行改進。得到數字PID增量型控制算式為公式(4.3)公式(4.3)其中，稱為比例增益；稱為積分系數；稱為微分系數。為了編程方便，可將式(4.3)整理成如下形式:;比例(P)作用：提高系統(tǒng)的動態(tài)響應速度，減小穩(wěn)態(tài)誤差。積分(I)作用：消除穩(wěn)態(tài)誤差。微分(D)作用：預測偏差，產生超前校正，改善動態(tài)性能。2.數字PID控制算法實現方式比較增量數字控制算法較位置型算法雖改動不大，然而卻帶來了很多優(yōu)點：(1)增量型算法不需要做累加，控制量增量的確定僅與最近幾次誤差采樣值有關，計算誤差或計算精度問題，對控制量的計算影響較小。而位置型算法要用到過去的誤差的累加值，容易產生大的累加誤差。(2)增量型算法得出的是控制量的增量，例如閥門控制中，只輸出閥門開度的變化部分，誤動作影響小，必要時通過邏輯判斷限制或禁止本次輸出，不會嚴重影響系統(tǒng)的工作。而位置型算法的輸出是控制量的全量輸出，誤動作影響大。(3)采用增量型算法，易于實現手動到自動的無沖擊切換。但這種控制算法也有其不足之處：a積分截斷效應大，有靜態(tài)誤差；b溢出的影響大。因此，應該根據被控對象的實際情況加以選擇。一般認為，在以晶閘管或伺服電機作為執(zhí)行器件，或對控制精度要求較高的系統(tǒng)中，應當采用位置型算法，而以步進電機或多圈電位器作執(zhí)行器件的系統(tǒng)中，則應采用增量式算法。綜上所述，本項目中選擇增量型算法。在這個系統(tǒng)中，控制對象是電機，電機轉速改變左右履帶的轉速。對于這個問題，需要不斷的調節(jié)PID參數，從而達到需要的控制效果。所以控制器的設計基本如圖4.2。左履帶的期望速度+右履帶的期望速度+速度4.2避障控制算法的MATLAB仿真4.2.1建立仿真模型復雜的計算，理論與分析，特別是自動化控制理論和數字信號處理的研究提供了高效率的工具，掌握MATLAB并借助他解決理論與應用問題已經成為每個從事科學研對于嵌入式垂直提升控制系統(tǒng)的研究，控制對象是電機轉速，檢測信號是濃度或者是流量。通過輸入設定的濃度與流量信號，通過PID計算達到所需要的檢測信在設計閉環(huán)調速系統(tǒng)中常常會遇到動態(tài)穩(wěn)定性與穩(wěn)態(tài)性能指標發(fā)生矛盾，這時必須要設計合適的動態(tài)校正裝置，用來改造系統(tǒng)，使他滿足動態(tài)穩(wěn)定性與穩(wěn)態(tài)性能用PID調節(jié)器有實現滯后與超前校正兼有的功能可以全面的提高系統(tǒng)的控制性能。但是在具體的實現與調試要復雜一些。在這里要建立PID傳遞函數，以及電機的傳遞函數，還有檢測信號的傳遞函數。建立好傳遞函數可以在MATLAB的simulink中進行仿真。在實驗中我們可以推算出變頻器的輸出頻率和輸入電壓成線性比的關系，電機的轉速與變頻器的頻率線性比的關系。這樣我們就可以根據設定地左右履帶的速度來計算出兩個電機的轉速達到控制的目的。在這里簡化了工藝過程，在實驗中遵循輸入電壓與電機轉速成線性關系的方法在下面的仿真中，對于執(zhí)行機構來說可以近似地看為一個2階傳遞函數如：公式(4.5)PID調節(jié)器進行調節(jié)，通過MATLAB達到預定的控制性能。進行仿真。通過不斷的調節(jié)P,I,D參數由于履帶主動輪速度的控制是通過PID的輸出來控制電機的轉速實現的。因此，我們對履帶的主動輪的速度進行仿真。首先通過設定不同的取值，對履帶機器人的主動輪速度進行仿真，并就不同的P,I,D參數進行比較，得到相對較好的參數。在對速度進行仿真的時候，對于2階傳遞函數可以設定一個取值。下面我們簡單地設定電機的二階傳遞函數對設計好的PID下面我們簡單地設定電機的二階傳遞函數對設計好的PID控控制器內部結構如下圖4.4所示。PileEditYiewSimulationNormal基于DSP的履帶機器人避障系統(tǒng)研究第四章控制算法和仿真□(安回晝?yōu)橹厮奚俜制?Normalu一13+圖4.4PID控制器內部結構在系統(tǒng)中，通過設定的速度可以計算出控制主動輪的電機的轉速，并且通過實般加快系統(tǒng)的響應，在有靜差的情況下減少靜差，但是過大的P會使系統(tǒng)有較大的超調，使穩(wěn)定性變壞；增大T?有利于減少超調，減少振蕩和超調量，但靜差的消除也將隨之減慢；增大微分時間Tp有利于加快響應，減少超調量，從而增加穩(wěn)定性但圖4.5參數值未調節(jié)好時的效果圖再微分的步驟進行：比例系數由小變大調節(jié)、積分系數由大到小調節(jié)、微分系數由零到大調節(jié)。最終我們確定個這三個能夠使控制效果最好的值，當Kp=1.2,T?=0.06反應迅速，符合控制要求。仿真圖如圖4.6所示。本章介紹了PID控制器的種類，了解了它們都有各自的適應領域。同時，針對本次設計的對象，選擇了適應控制電機的增量式PID控制器，然后通過PID控制器式PID控制器算法進行了仿真，仿真結果證明，采用PID控制算法能夠很好的控制基于DSP的履帶機器人避障系統(tǒng)研究第五章系統(tǒng)軟件設計第五章基于DSP的履帶機器人避障系統(tǒng)的軟件設計一個機器人控制系統(tǒng)，包括硬件和軟件兩大部分。系統(tǒng)要正常工作，僅有硬件是不夠的，還需要軟件部分的配合才能構成一個完整的控制系統(tǒng)。軟件的功能就是根據硬件設計規(guī)劃流程，通過編制程序實現機器人的運動。可以說程序是最終實現機器人運動的關鍵內容。本章將介紹DSP的軟件開發(fā)環(huán)境，以及控制系統(tǒng)的具體軟5.1DSP開發(fā)環(huán)境介紹一套完整的軟、硬件開發(fā)工具。TI公司為TMS320系列DSP提供的軟件開發(fā)工具可代碼生成工具的作用是將匯編語言、C語言或兩者混合編寫的DSP源代碼程序鏈接散。此外，還有一些輔助工具，如文件格式轉換程序、庫生成和文檔管理程序代碼調試工具的作用是對DSP程序及目標系統(tǒng)進行調試，達到設計目的。DSP控制系統(tǒng)主要的調試工具有：匯編語言源碼調試器、C語言源碼調試器、初學者工具DSK、軟件開發(fā)系統(tǒng)SWDS、仿真器XDS、評估模板EVM等。5.2避障控制系統(tǒng)程序并接收和處理反饋信號，完成轉速和電流閉環(huán)控制。前面介紹了軟件控制的總體思電機的轉向和轉速，結合霍爾傳感器反饋的電機當前轉向和處理后得到本周期電機轉向和轉速，并經過算法處理后，以DSP通用定時器的定時基于DSP的履帶機器人避障系統(tǒng)研究第五章系統(tǒng)軟件設計系統(tǒng)的主程序調用各初始化子程序，進行通信接口、F0、定時器及中間寄存器法運算等功能。當發(fā)生中斷時，調用相應中斷程序，并修改或重置標志位。主程序是軟件策略的核心。在本系統(tǒng)中，主程序完成系統(tǒng)的初始化，然后接收從電機反饋開始開始路徑規(guī)劃路徑跟蹤N檢測到障礙物否?Y更改路徑規(guī)劃按新的路基規(guī)劃進行路徑跟蹤N繞過障礙物否?YN到達目標否?Y結束圖5.1主程序流程圖基于DSP的履帶機器人避障系統(tǒng)研究第五章系統(tǒng)軟件設計開始開始繞障礙物運動有障礙物嗎?N運動路線是否正確?Y到達目標否?Y結束N先設定一條履帶機器人到達目標的路線，電機驅動履帶機器人行走，由航向角傳感器和速度傳感器共同作用，使履帶機器人不偏離預定路線。當聲納傳感器檢測到有障礙物時，調整左右履帶的速度和路帶機器人的方向角繞過機器人。避開障礙物后，是履帶機器人回到預定路線行走。在這個系統(tǒng)中，控制對象是電機，電機轉速改變左右履帶的轉速。對于這個問題，需要不斷的調節(jié)PID參數，從而達到需要的控制效果。基于DSP的履帶機器人避障系統(tǒng)研究第五章系統(tǒng)軟件設計開始N電機啟動完成?YPID控制PID運算將轉速記錄到寄存器返回圖5.3定時中斷子程序流程圖開始計算控制參數A,B,C設置初值e(k-1)=e(k-2)=0讀入采樣值y(k)計算控制量△u(k)返回在電機運行過程中，由DSP的A/D轉換模塊(ADC)對電流進行采樣和控制，并1.ADC控制寄存器設置110,即0406H。產生電路設置成對稱PWM波形，即通用定時器設置為連續(xù)增堿計數模式。這種方式使得A/D轉換始終在功率開關器件導通周期的中點采樣電流并進行模數轉換，避基于DSP的履帶機器人避障系統(tǒng)研究